基于統(tǒng)計(jì)的民用飛機(jī)簽派可靠度計(jì)算方法研究

褚雙磊，任 強(qiáng)，魏志強(qiáng)，劉 菲

(1. 中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津300300；2.天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300)

?

基于統(tǒng)計(jì)的民用飛機(jī)簽派可靠度計(jì)算方法研究

褚雙磊1，2，任 強(qiáng)1，2，魏志強(qiáng)1，2，劉 菲1，2

(1. 中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津300300；2.天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300)

簽派可靠度是表征民用客機(jī)整機(jī)可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，也是影響飛機(jī)原始設(shè)計(jì)的重要技術(shù)參數(shù)。本文采集了航空公司實(shí)際統(tǒng)計(jì)的機(jī)型延誤率數(shù)據(jù)，根據(jù)延誤率和簽派可靠度的映射關(guān)系，從民用飛機(jī)設(shè)計(jì)角度入手，首先提出飛機(jī)初期設(shè)計(jì)階段的7個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)延誤率與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，得出相關(guān)度最大的前3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了簽派可靠度與3個(gè)飛機(jī)原始設(shè)計(jì)參數(shù)之間的多元回歸模型，對(duì)民用飛機(jī)的簽派可靠度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并用A320現(xiàn)役飛機(jī)和C919國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)進(jìn)行實(shí)證，預(yù)測(cè)模型合理，預(yù)測(cè)精度較高，可以為我國(guó)民用飛機(jī)整機(jī)簽派可靠度的預(yù)測(cè)奠定理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)簽派可靠度的預(yù)測(cè)模型可以為民用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

簽派可靠度；可靠性；民用客機(jī)；設(shè)計(jì)參數(shù)

0 引言

簽派可靠度是表征民用飛機(jī)簽派可靠性的唯一重要參數(shù)，也是表征民用飛機(jī)產(chǎn)品整機(jī)可靠性的一個(gè)重要參數(shù)，簽派可靠度的高低直接影響著飛機(jī)本身的固有可靠性和航線運(yùn)營(yíng)可靠性[1]。飛機(jī)的簽派可靠度越高，飛機(jī)非計(jì)劃停場(chǎng)時(shí)間越少，飛機(jī)的日利用率越高[2]，航班計(jì)劃的可靠性越高，同時(shí)航班的正點(diǎn)率也會(huì)越高。因此，在飛機(jī)的原始設(shè)計(jì)研制階段，須對(duì)簽派可靠度進(jìn)行深入的分析研究和準(zhǔn)確可靠的預(yù)測(cè)，并進(jìn)行充分的機(jī)型驗(yàn)證。

簽派可靠度是一個(gè)評(píng)價(jià)民用飛機(jī)整機(jī)特性的綜合性參數(shù)，同時(shí)由于民用航空運(yùn)輸是一個(gè)匯集了航空公司、機(jī)場(chǎng)、空管三方共同協(xié)作運(yùn)行的整體，所以，簽派可靠度的分析和驗(yàn)證需考慮的因素非常復(fù)雜，包含飛機(jī)自身的技術(shù)因素、管制運(yùn)行環(huán)境、機(jī)場(chǎng)保障因素、航空公司運(yùn)行管理因素等。一方面，簽派可靠度在很大程度上受飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響[3]；另一方面，簽派可靠度還需結(jié)合飛機(jī)許多實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境的非技術(shù)性因素[4]。

目前我國(guó)在民用飛機(jī)簽派可靠度研究方面，僅僅停留在航空公司的可靠性統(tǒng)計(jì)報(bào)告或者定期的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值中[5]，在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，沒有形成對(duì)簽派可靠度的統(tǒng)計(jì)和評(píng)估方法，更沒有將簽派可靠度與飛機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。因此，在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素來預(yù)測(cè)民用飛機(jī)在運(yùn)營(yíng)階段的簽派可靠度水平，并根據(jù)預(yù)計(jì)過程和結(jié)果確定影響飛行簽派的飛機(jī)設(shè)計(jì)因素，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)以提高飛機(jī)的簽派可靠度水平，保證民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)價(jià)值[6]。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 簽派可靠度的定義

簽派可靠度：沒有因?yàn)轱w機(jī)的機(jī)械故障原因(技術(shù)性原因)造成航班延誤或取消而營(yíng)運(yùn)離站的百分?jǐn)?shù)，有時(shí)也稱為出勤可靠度。在數(shù)值上，簽派可靠度=1-延誤取消率。

延誤取消率是在規(guī)定的運(yùn)行小時(shí)內(nèi)(或規(guī)定的累計(jì)營(yíng)運(yùn)起落次數(shù)內(nèi))，因技術(shù)原因?qū)е卵诱`及取消航班總次數(shù)除以營(yíng)運(yùn)起落次數(shù)。技術(shù)性延誤取消率特指由于飛機(jī)本身的機(jī)械故障造成的，也稱為地面中斷率(地面不正常率，飛機(jī)故障技術(shù)性原因)。延誤取消率的公式為：

最終，簽派可靠度(dispatch reliability，DR)的公式可以寫成：

1.2 數(shù)據(jù)收集

由于延誤取消率和簽派可靠度在數(shù)值上存在著對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，所以本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)航空公司的維修工程部和運(yùn)行控制部進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，根據(jù)主要航空公司的運(yùn)行生產(chǎn)實(shí)踐和維修可靠性管理方案，確定4種主流短程機(jī)型作為采集對(duì)象，分別為B737-800、A320、E190、MA60。本文收集了國(guó)內(nèi)4個(gè)不同航空公司的4種不同短程機(jī)型的兩年維修可靠性數(shù)據(jù)，飛機(jī)機(jī)齡相對(duì)年輕。航空公司的年度可靠性分析報(bào)告中包含有分系統(tǒng)涉及ATA章節(jié)統(tǒng)計(jì)的延誤率數(shù)據(jù)，延誤取消率數(shù)據(jù)屬于航空公司的可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，是實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)，由航空公司的維修工程部負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)匯總，用于監(jiān)控機(jī)隊(duì)的可靠性和實(shí)時(shí)的機(jī)隊(duì)可靠性數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析。

2 數(shù)據(jù)處理和分析

2.1 原始設(shè)計(jì)參數(shù)

為了便于對(duì)延誤取消率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)建立實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)(延誤取消率)與飛機(jī)本身設(shè)計(jì)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)民用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)的需要，將對(duì)飛機(jī)的原始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分類，分為5個(gè)主要參數(shù)和2個(gè)輔助參數(shù)[7]，具體參數(shù)見表1。

表1 飛機(jī)原始設(shè)計(jì)參數(shù)

5個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)主要涵蓋民用飛機(jī)的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，包括最大起飛質(zhì)量、飛機(jī)推力、飛行時(shí)間、巡航速度、旅客座位數(shù)；2個(gè)輔助設(shè)計(jì)參數(shù)是涉及比率的參數(shù)，包含最大起飛質(zhì)量/飛行時(shí)間、旅客座位數(shù)/飛行時(shí)間。為了便于延誤率數(shù)據(jù)的計(jì)算，分別對(duì)7個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行編號(hào)：最大起飛質(zhì)量(TOW)為X1；旅客座位數(shù)(NP)為X2；飛機(jī)推力(THR)為X3；飛行時(shí)間(FT)為X4；巡航速度(CS)為X5；最大起飛質(zhì)量/飛行時(shí)間(TOW/FT)為X6；旅客座位數(shù)/飛行時(shí)間(NP/FT)為X7。

然后分別對(duì)收集的4種機(jī)型的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行定義，分別得出4種機(jī)型7個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的具體數(shù)值，該7個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)為統(tǒng)計(jì)機(jī)型的固定值，下面以A320機(jī)型的設(shè)計(jì)參數(shù)為例，見表2。

表2 A320設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 相關(guān)分析

將各個(gè)ATA章節(jié)的實(shí)際延誤率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與7個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，得出每個(gè)ATA章節(jié)與哪些設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)度較高[8-9]，對(duì)相關(guān)系數(shù)排在前3位的因素進(jìn)行排列，然后將每個(gè)ATA章節(jié)延誤率與3個(gè)相關(guān)因素進(jìn)行擬合，得出每個(gè)ATA章節(jié)延誤率與3個(gè)相關(guān)因素的預(yù)測(cè)模型公式。每個(gè)ATA章節(jié)的相關(guān)分析見表3。

表3 ATA章節(jié)的相關(guān)分析

自變量的個(gè)數(shù)取值為3個(gè)，因?yàn)槿≈颠^多對(duì)因變量的計(jì)算也沒有多大意義。通過相關(guān)分析，可以得出每個(gè)ATA章節(jié)與哪些相關(guān)因素的相關(guān)程度最大，相關(guān)系數(shù)r越大，相關(guān)程度越大[10]，表明作為因變量的延誤率與某個(gè)作為自變量的設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)學(xué)映射關(guān)系緊密，這樣建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式更加可靠和準(zhǔn)確。

大部分系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)都在0.5以上，說明大多數(shù)子系統(tǒng)的實(shí)際延誤率數(shù)值與某個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性明顯，相關(guān)程度較高。

2.3 預(yù)測(cè)模型

通過多元線性擬合的方法，建立每個(gè)ATA章節(jié)的延誤率數(shù)據(jù)與3個(gè)相關(guān)因素的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過數(shù)值檢驗(yàn)，擬合度較高，表明函數(shù)表達(dá)式合理。每個(gè)ATA子系統(tǒng)的延誤率預(yù)測(cè)公式見表4。

表4 ATA章節(jié)的延誤率預(yù)測(cè)公式

基于Y=AX1+BX2+CX3+D的函數(shù)形式，通過對(duì)延誤率數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得出的延誤率預(yù)測(cè)公式比一元回歸分析精確度高，表4所列出的擬合公式可以預(yù)測(cè)每個(gè)ATA子系統(tǒng)的延誤率與相關(guān)因素的關(guān)系，從而得出預(yù)測(cè)延誤率的數(shù)值，為下一步的機(jī)型驗(yàn)證進(jìn)行數(shù)據(jù)鋪墊。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)率模型的合理性和準(zhǔn)確性，根據(jù)現(xiàn)役主流機(jī)型A320-200飛機(jī)的7個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行延誤率預(yù)測(cè)，比較延誤率預(yù)測(cè)值與延誤率實(shí)際值的統(tǒng)一性，從而得出該機(jī)型的整機(jī)簽派可靠度。

表5 A320 機(jī)型預(yù)測(cè)延誤率和實(shí)際延誤率對(duì)比

通過A320機(jī)型延誤率數(shù)據(jù)的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各個(gè)子系統(tǒng)的延誤率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)基本接近實(shí)際延誤率，由于簽派可靠度=1-延誤率，可以得出簽派可靠度的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差很小，說明通過子系統(tǒng)ATA章節(jié)的延誤率與設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系來預(yù)測(cè)整機(jī)簽派可靠度的方法是可行的，簽派可靠度預(yù)測(cè)數(shù)值準(zhǔn)確。

為了進(jìn)一步證明預(yù)測(cè)模型的合理性，選取國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919機(jī)型為驗(yàn)證對(duì)象。C919機(jī)型公布的設(shè)計(jì)參數(shù)如表6。

表6 C919設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)國(guó)產(chǎn)大型民航客機(jī)C919飛機(jī)的7個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行延誤率預(yù)測(cè)，比較簽派可靠度預(yù)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的統(tǒng)一性，從而得出該機(jī)型的整機(jī)簽派可靠度。

表7 C919機(jī)型預(yù)測(cè)延誤率分析

通過對(duì)C919機(jī)型延誤率數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，各個(gè)子系統(tǒng)的延誤率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)基本接近單通道窄體競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型，可以得出預(yù)測(cè)整機(jī)簽派可靠度數(shù)據(jù)96.439%與設(shè)計(jì)簽派可靠度數(shù)據(jù)基本一致，相對(duì)誤差很小，再次證明通過子系統(tǒng)ATA章節(jié)的延誤率與設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系來預(yù)測(cè)整機(jī)簽派可靠度的方法是可行的，簽派可靠度預(yù)測(cè)數(shù)值準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本文針對(duì)民用飛機(jī)簽派可靠度的幾種主要設(shè)計(jì)影響因素，采用實(shí)際統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性回歸方法對(duì)簽派可靠度進(jìn)行了預(yù)測(cè)及檢驗(yàn)，將航空公司實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)與飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了有效地結(jié)合，找出其中的相關(guān)性和函數(shù)關(guān)系，將設(shè)計(jì)參數(shù)作為解釋變量，延誤率作為被解釋變量，建立了延誤率數(shù)據(jù)與飛機(jī)本身設(shè)計(jì)參數(shù)的定量關(guān)系，因?yàn)檠诱`率和簽派可靠度存在一定的關(guān)系[11]，簽派可靠度與設(shè)計(jì)參數(shù)也存在著同樣的線性關(guān)系，通過構(gòu)建延誤率的線性回歸預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)延誤率從而可以得到該機(jī)型的簽派可靠度，為下一步進(jìn)行簽派可靠度的分配奠定理論基礎(chǔ)。最后在結(jié)合A320主流機(jī)型和C919機(jī)型實(shí)例驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)檢驗(yàn)表明，所獲得的預(yù)測(cè)模型正確，具有一定的科學(xué)性和有效性，該研究成果為簽派可靠度的預(yù)測(cè)提供了一種貼近實(shí)際的科學(xué)合理方法。在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，可以調(diào)整飛機(jī)本身的設(shè)計(jì)參數(shù)來提高整機(jī)簽派可靠度，減少飛機(jī)延誤率。

[1] 郭偉.民用客機(jī)研制階段簽派可靠度分配和預(yù)計(jì)[J]. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2012(2)：40-43.

[2] 包敦永.民用飛機(jī)簽派可靠度預(yù)計(jì)方法研究[J].科技信息，2014(10)：264.

[3] 曹愈遠(yuǎn)，李艷軍，王小明，等.基于模糊綜合評(píng)判法的民機(jī)簽派可靠性評(píng)估[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，32(4)：15-18.

[4] 汪震宇，李艷軍，許振騰，等. 基于簽派可靠度的民機(jī)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法[J].航空計(jì)算技術(shù)，2014，44(4)：51-54.

[5] CHU Shuanglei，LIU Fei，WEI Zhiqiang. The study on dispatch reliability prediction model of civil aircraft[J]. The Open Mechanical Engineering Journal， 2014， 8：828-832. DOI:10.2174/1874155x01408010828.

[6] BINEID M，F(xiàn)IELDING J P.Development of a civil aircraft dispatch reliability prediction methodology[J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology， 2003， 75(6)：588-594. DOI:10.1108/00022660310503066.

[7] BINEID M. Aircraft systems design methodology and dispatch reliability prediciton[D]. Cranfield: Cranfield University，2005.

[8] 褚雙磊，韓紅蓉，劉菲.MEL輔助放行中的性能修正應(yīng)用研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2015，26(2)：74-78.

[9] 褚雙磊，任強(qiáng)，劉菲，等.面向客戶需求的民用飛機(jī)主最低設(shè)備清單研究[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29(3)：233-238.

[10] 褚雙磊，劉菲，魏志強(qiáng).基于運(yùn)行要求的A320機(jī)型MMEL編制方法研究[J]. 中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33(6)：5-8，27.

[11] CHU Shuanglei，HAN Hongrong，LIU Fei.The application research for decision support of MEL assistant release based on flight operation control demand[J].Biotechnology： an India Journal，2014，10(18)：10145-10151.

(責(zé)任編輯 黃 勇)

Study on Calculation Method of Dispatch Reliability of Civil Aircraft Based on Statistics

CHU Shuanglei1，2，REN Qiang1，2，WEI Zhiqiang1，2，LIU Fei1，2

(1.College of Air Traffic Management， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300，China; 2.Tianjin Key Laboratory of Operation Programming and Safety Technology of Air Traffic Management， Tianjin 300300，China)

Dispatch reliability is the key parameters reflecting the overall reliability of a civil aircraft， and the important technical parameters affecting the original design of a civil aircraft. According to the actual delay rate data of airlines， combined with the mathematical relationship between delay rate and dispatch reliability， from the perspective of civil aircraft design, seven design parameters at the aircraft early design phase are put forward in this paper， the correlation analysis between the delay rate and design parameters is made， the first three design parameters which have the maximum correlation are obtained. Also this paper, a multiple regression model between dispatch reliability and aircraft original design parameters is established. Based on this model, the dispatch reliability of civil aircraft can be predicted. An empirical study with A320 and C919 shows that the prediction model is reasonable and has higher precision accuracy， which may lay the theoretical basis and data support for dispatch reliability prediction of the civil aircraft in China， meanwhile the prediction model of dispatch reliability can provide reference data for the structure design of civil aircraft.

dispatch reliability; reliability; civil aircraft; design parameter

10.16088/j.issn.1001-6600.2016.03.007

2016-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21407174)；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20140267002)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3122014C021、3122014B005)；工業(yè)和信息化部民用飛機(jī)專項(xiàng)科研項(xiàng)目(MJ-J-2012-4，MJ-2014-Y-65)

褚雙磊(1982—)，男，天津人，中國(guó)民航大學(xué)講師，博士。E-mail: chushuanglei@163.com

V221

A

1001-6600(2016)03-0046-07